Рассчитать жесткость воды. Понятие жесткости воды, формула расчета, единицы измерения, нормы в россии

О том, что водопроводная вода слишком жесткая, приходиться слышать постоянно. Чем же измеряется «твердость» жидкости? И как рассчитывается жесткость воды.

На фото: "пострадавший" от солей жесткости нагревательный элемент

Если свести к минимуму научные рассуждения о совокупности свойств жидкости, то жесткостью воды можно считать суммарное количество растворенных солей щелочноземельных металлов (преимущественно кальция и магния). С химической точки зрения все двухвалентные катионы в той или иной степени способны связываться с анионами, образуя соли, способные выпадать в осадок. Однако на практике количество растворенного в воде стронция, бария и марганца сведено к минимуму, а алюминий и железо переходят в солевые комплексы только при определенном уровне кислотности среды (рН меньше 7), который в природе практически не встречается. Мы уже писали про то, как определить жесткость в домашних условиях .

Таблица 1. Катионы и анионы, обуславливающие жесткость

Формула жесткости воды

Карбонатная жесткость – количественное содержание в воде гидрокарбонатов и карбонатов магния и кальция (MgHCO3, CaHCO3). Данный тип загрязнителей легко устраняется при кипячении с образование угольной кислоты и осадка:

Ca 2+ + 2HCO 3 - (при нагревании)= CaCO 3 ↓ + H 2 O + CO 2

Некарбонатная (постоянная) жесткость обусловлена присутствием магниевых и кальциевых соединений сильных кислот (азотной, соляной, серной). При кипячении соли такого типа не распадаются.

Формула для расчета общей жесткости воды: H общ =Н карб +Н некарб

Единицы измерения

Единицы измерения в России – градусы (°Ж), может быть выражена в объемной или массовой доле. 1 градус жесткости численно равен 0,5 мольной концентрации щелочноземельного элемента, выраженной в мг/куб. дм. (1°Ж=1 мг-экв/л.)

Единицы измерения в системе СИ – моль/куб.метр. Однако на практике чаще всего используют мг-экв./л. Концентрация, отнесенная к единице массы, оправдывает себя в тех случаях, когда необходим анализ воды в ином агрегатном состоянии (с измененной плотностью).

Для тех, кому химия на уроках давалась нелегко, следует повторить:

Один мг-экв/л соответствует 20,04 миллиграммам ионов Ca 2+ или 12,16 миллиграммам ионов Mg 2+ (отношение атомной массы и валентности элемента).

Нормы жесткости

По величине жесткости воду можно разделить на три категории:

Мягкая (до 2 °Ж),

Средней жесткости (2-10 °Ж),

Очень жесткая (более 10 °Ж).

Нормы жесткости в России не позволяют превышать 7 мг-экв/л. Согласно стандартам Евросоюза, ПДК общей жесткости воды не может быть больше 1,2 мг-экв/л. Путем несложных расчетов можно сделать вывод о том, что в Европе вода почти в 6 раз мягче, чем в России.

Таким образом, численно подтвержденная необходимость установки систем очистки в России уже не вызывает сомнений. Кроме того, согласно принятым во всем мире нормативам, употребляемая нашими соотечественниками вода, нуждается в многоступенчатом умягчении и глубокой фильтрации.

Теперь разберемся, как устранить чрезмерное содержание солей в воде:

Используемая литература:

1. ГОСТ 2874-82
2. ГОСТ Р 52029-2003 | НАЦИОНАЛЬНЫЕ СТАНДАРТЫ
3. Химическая энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия, 1990. Т. 2. С. 145.

14.1. Жёсткость воды

Жёсткость воды - совокупность химических и физических свойств воды, связанных с содержанием в ней растворённых солей металлов, главным образом, кальция Са 2+ и магния Mg 2+ (так называемых «солей жёсткости»). Различают временную (карбонатную) жёсткость, обусловленную гидрокарбонатами кальция и магния (Са(НСО 3) 2 ; Mg(НСО 3) 2), и постоянную (некарбонатную) жёсткость, вызванную присутствием других солей, не выделяющихся при кипячении воды: в основном, сульфатов и хлоридов Са и Mg (CaSO 4 , CaCl 2 , MgSO 4 , MgCl 2).Общая жёсткость воды равна сумме временной (карбонатной) и постоянной (некарбонатной) жёсткости.

В системе СИ жёсткость измеряется в моль/м 3 . На практике пользуются градусами жёсткости, выражают жёсткость в миллиграммах эквивалентов на литр, а также в миллимоль эквивалентов на литр. 1°Ж соответствует концентрации щелочноземельного элемента, численно равной 1/2 его моля на литр (1°Ж = 1 мг-экв/л = 1/2 ммоль-экв/л). По величине общей жёсткости различают воду мягкую (до 2°Ж), средней жёсткости (2-10°Ж) и жёсткую (более 10°Ж).

В данном пособии за размерность жёсткости воды принят 1 мг-экв/л (часто эквивалент пропускают и выражают жёсткость воды в ммоль/л), который выражают суммой миллимоль (ммоль) эквивалентов ионов Са 2+ и Mg 2+ содержащихся в 1 литре воды. Один миллимоль жёсткости отвечает содержанию 20,04 мг/л Са 2+ и 12,16 мг/л Mg 2+ .

Жёсткость воды может быть рассчитана по формуле, представленной в общем виде:

где Ж – жёсткость воды, ммоль-экв/л; m i – масса катионов (или соответствующих солей), мг; М эк i – молярная масса эквивалентов катионов (или соответствующих им солей), мг/ммоль; V – объём воды, л.

1. Определение жёсткостиводы по массе содержащихся в ней солей.

Пример 1. Рассчитайте общую жёсткость воды (ммоль/л}, если в 0,20 л воды содержится 32,42 мг гидрокарбоната кальция Са(НСО 3) 2 ; 1,46 мг гидрокарбоната магния Mg(HCО 3) 2 ; 22,20 мг хлорида кальция CaCl 2 и 4,75 мг хлорида магния MgCl 2 .

Решение. Общая жёсткость воды может быть рассчитана по формуле (1)

Массы солей и объём воды известны по условию задачи. Находим молярные массы эквивалентов солей. Молярная масса эквивалентов соли равна молярной массе соли, деленной на эквивалентное число Z . Для всех солей Z равно 2.

M эк Са(НСО 3) 2 = М Са(НСО 3) 2 /2 = 162,11/2 - 81,05 мг/ммоль;

M эк Mg(HCO 3) 2 = M Mg(HCO 3) 2 /2 = 146,34/2 = 73,17 мг/ммоль;

M эк СаСl 2 = М СаС1 2 /2 = 110,99/2 = 55,49 мг/ммоль;

M эк MgCl 2 =M MgCl 2 /2 - 95,21/2 = 47,60 мг/ммоль.

Подставляя в формулу массы, молярные массы эквивалентов солей и объём воды, рассчитываем общую жёсткость воды:

2,0 + 0,1 + 2,0 + 0,5 = 4,6 ммоль/л.

Пример 2. Вычислите временную жёсткость воды, зная, что в 500 л её содержится 162,1 г Са(НСО 3) 2 .

Решение. Временную жёсткость воды можно найти по формуле (1), подставив в неё массу, молярную массу эквивалентов Са(НСО 3) 2 и объём воды. Молярная масса эквивалентов Са(НСОз) 2 равна 81,05 мг/ммоль (см. пример 1), масса этой соли равна 162100 мг, объем воды 500 л. Следовательно,

2. Определение содержания солей в воде по жёсткости воды

Пример 3 . Сколько граммов СаСl 2 содержится в 100 л воды, если жесткость воды, вызванная этой солью, равна 2,5 ммоль/л?

Решение. Массу соли СаСl 2 можно найти по формуле (1). А именно:

Подставляя в формулу жёсткость воды, молярную массу эквивалентов CaCl 2 (см. пример 1) и объем воды, получаем:

M CaCl 2 = 2,5 · 55,49 · 100 = 13872,5мг или 13,8725 г.

3.Определение временной (карбонатной) жёсткости воды по объёму соляной кислоты, пошедшей на её титрование

Самым простым методом определения жёсткости воды является метод титрования. Для определения временной жёсткости воды используют стандартный раствор соляной кислоты. При этом происходит следующая реакция:

Ме(НСО 3) 2 + 2 НС1 = МеС1 2 + 2 Н 2 О + 2СО 2 ,

где Me – Са 2+ , Mg 2+ , Fe 2+ .

Согласно закону эквивалентов, количество эквивалентов всех участвующих в химической реакции веществ должно быть одинаково. Отсюда:

где С эк1 и V 1 – соответственно молярная концентрация эквивалентов вещества(моль/л) и объём (л) первого раствора; C эк2 и V 2 – молярная концентрация эквивалентов вещества (моль/л) и объём (л) второго раствора.

Пример 4 . Определите временную жёсткость воды, если на титрование 5 · 10 –2 л воды, содержащей гидрокарбонат кальция, израсходовано 1,44 · 10 –3 л 1,15н раствора HCl.

Решение . По условию задачи молярная концентрация эквивалентов Сa(HCO 3) 2 неизвестна. Обозначим её через х.Подставляя значения в формулу (2), получаем:

х · 5· 10 –2 = 1,44 · 10 –3 · 0,15.

Таким образом, молярная концентрация эквивалентов Сa(HCO 3) 2 равна 0,004н, что соответствует содержанию Сa(HCO 3) 2 0,004 моль/л или 4 ммоль/л. Следовательно, временная жёсткость воды составляет 4 ммоль/л.

Пример 5 . Чему равна временная жесткость воды, если на титрование 100 мл этой воды, содержащей гидрокарбонат железа (II), израсходовано 5,75 мл 0,07 н раствора HCl.

Решение . Данная задача решается аналогично тому, как это показано в примере 5, предварительно переведя объёмы растворов в литры, т.е. V 1 = 0,1 л H 2 O; V 2 = 5,75 · 10 –3 л HCl. Подставляя значения в формулу (2), получаем:

х · 0,1 = 5,75 · 10 –3 · 0,07.

н.

Молярной концентрации эквивалентов Fe(HCO 3) 2 соответствует содержание этой соли, равной 4 · 10 –3 моль/л или 4 ммоль/л.

Следовательно, жёсткость воды 4 ммоль/л.

14.2. Методы умягчения воды

Для умягчения воды применяют методы осаждения и ионного обмена. Путем осаждения катионы Са 2+ и Mg 2+ переводят в малорастворимые соединения выпадающие в осадок. Это можно достичь кипячением или химическим путем – введением в воду, например, соды Nа 2 СО 3 , гашёной извести Са(ОН) 2 и т.д. При кипячении устраняется только временная (карбонатная) жёсткость по реакции:

Сa(HCO 3) 2 CaCO 3 ¯ + CO 2 ­ + H 2 O.

Mg(HCO 3) 2 Mg(OH) 2 ¯ + CO 2 ­.

При разложении Mg(HCO 3) 2 образуется Mg(OH) 2 , а не MgCO 3 так как

Метод химического умягчения основан на добавлении в воду кальцинированной соды Na 2 CO 3 или гашёной извести Ca(OH) 2 . При этом соли кальция и магния переходят в нерастворимые соединения и, как следствие, выпадают в осадок. Например, добавление гашёной извести приводит к переводу солей кальция в нерастворимый карбонат:

Ca(HCO 3) 2 + Ca(OH) 2 → 2CaCO 3 ↓ + 2H 2 O

Лучшим реагентом для устранения общей жесткости воды является ортофосфат натрия Na 3 PO 4:

3Ca(HCO 3) 2 + 2Na 3 PO 4 → Ca 3 (PO 4) 2 ↓ + 6NaHCO 3

3MgSO 4 + 2Na 3 PO 4 → Mg 3 (PO 4) 2 ↓ + 3Na 2 SO 4

Ортофосфаты кальция и магния очень плохо растворимы в воде, поэтому легко отделяются механическим фильтрованием.

Метод ионного обмена основан на использовании ионообменной гранулированной смолы, которая поглощает катионы солей жёсткости (кальций и магний, железо и марганец). Взамен, в зависимости от ионной формы, смола отдаёт ионы натрия или водорода. Эти методы соответственно называются Na-катионирование и Н-катионирование.

4.Определение массы реагента, необходимого для устранения жёсткости воды.

Пример 6. Сколько граммов соды Nа 2 СО 3 надо прибавить к 150 л воды, чтобы устранить жёсткость, равную 5 ммоль/л?

Решение. В 150 л воды содержится 150 · 5 = 750 ммоль/л солей, вызывающих жёсткость воды. По закону эквивалентов для устранения этой жёсткости не­обходимо добавить такое же количество вещества эквивалентов, умягчающих воду, т.е. 750 ммоль Na 2 CО 3 .

Для нахождения вещества в граммах количество вещества эквивалентов умножают на молярную массу эквивалентов этого вещества. В данном случае эквивалентное число Na 2 CO 3 равно двум, и молярная масса эквивалентов Na 2 CО 3 будет

М эк Nа 2 СО 3 = М Nа 2 СО 3 /2 = 106/2 = 53 мг/ммоль.

Находим массу Na 2 CO 3:

m Na 2 CO 3 = n эк Na 2 CO 3 М эк Na 2 CO 3 = 750 · 53 = 39750 мг или 39,75 г.

Эту же задачу можно решить, используя формулу (1). Для этого необходимо помнить, что по закону эквивалентов массы реагирующих веществ пропор­циональны их молярным массам эквивалентов. Поэтому в формулу (1) вместо молярной массы эквивалентов солей, вызывающих жёсткость, можно подставить молярную массу эквивалентов веществ, необходимых для устранения этой жёст­кости, чтобы найти их массу. В данном случае:

m Na 2 CO 3 = Ж · М эк Na 2 СО 3 · V.

Подставляя значения Ж, М эк Na 2 CO 3 и V, получаем:

m Na 2 CO 3 = 5 ·53 · 150 = 39750 мг или 39,75 г.

КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ

261. Что понимается под жёсткостью воды? В чём измеряется жёсткость воды? Вода объемом 1 л содержит 38,0 мг гидрокарбоната кальция и 19,6 мг сульфата магния. Чему равна общая жёсткость воды? К какой группе жёсткости относится такая вода?

Ответ: 0,8 ммоль/л.

262. Почему необходимо устранять избыточную жёсткость воды? Чем опасна такая вода? Приведите примеры. Чему равна жёсткость воды, содержащая 0,01 моль/л хлорида кальция? К какой группе жёсткости относится такая вода?

Ответ: 20 ммоль/л.

263. Чем обусловлена постоянная жёсткость воды? Какие существуют химические способы устранения постоянной жёсткости воды? Напишите уравнения соответствующих реакций. Чему равна постоянная жесткость воды, если в 2,5 л ее содержится 40 мг сульфата кальция? К какой группе жёсткости относится такая вода?

Ответ: 0,23 ммоль/л.

264. Из чего складывается общая жёсткость воды? Ответ поясните. Чему равна общая жёсткость воды, если в 3,4 л ее находится 57 мг гидрокарбоната магния и 33 мг сульфата кальция? К какой группе жёсткости относится такая вода?

Ответ: 0,37 ммоль/л.

265. Чем обусловлена временная жёсткость воды? Какими методами можно устранить избыточную временную жёсткость воды? Напишите необходимые уравнения химических реакций. При кипячении 0,25 л воды, содержащей только гидрокарбонат кальция, в осадок выпадает 4мг карбоната кальция. Чему равна временная жёсткость воды? К какой группе жёсткости относится такая вода?

Ответ: 0,32 ммоль/л.

266. Чем обусловлена постоянная жёсткость воды? Какие существуют химические способы устранения постоянной жёсткости воды? Напишите уравнения соответствующих реакций. Сколько граммов сульфата магния содержится в 150 л воды, если жёсткость воды, вызванная этой солью равна 4,7 ммоль/л? К какой группе жёсткости относится такая вода?

Ответ: 42,441 г.

267. Чем обусловлена временная жёсткость воды? Какими методами можно устранить избыточную временную жёсткость воды? Напишите необходимые уравнения химических реакций. При кипячении 0,5 л воды, содержащей только гидрокарбонат железа (II). В осадок выпадает 8 мг карбоната железа (II). Чему равна временная жёсткость воды? К какой группе жёсткости относится такая вода?

Ответ: 0,28 ммоль/л.

268. Что такое титрование? На каком законе основан метод титрования? Дайте формулировку этого закона. На титрование 25 мг воды израсходовано 2,4 мл 0,1н раствора НС1. Чему равна карбонатная жёсткость воды? К какой группе жёсткости относится такая вода? К какой группе жёсткости относится такая вода?

Ответ: 9,6 ммоль/л.

269. Из чего складывается общая жёсткость воды? Ответ поясните. Какими методами можно устранить избыточную общую жёсткость воды? Напишите соответствующие уравнения реакций. Для умягчения 200 л воды потребовалось 12,72 г карбоната натрия. Чему равна жёсткость воды? К какой группе жёсткости относится такая вода?

Ответ: 1,2ммоль/л.

270. Чем обусловлена временная жёсткость воды? Какими методами можно устранить избыточную временную жёсткость воды? Напишите необходимые уравнения химических реакций. Временная жёсткость воды равна 6,64 ммоль/л. Какую массу гидроксида кальция необходимо взять, чтобы устранить жёсткость 10 л воды.

Ответ: 2,459г.

271. Какие химические методы существуют для устранения избыточной жёсткости воды? Напишите соответствующие уравнения реакций, протекающих при умягчении воды. Сколько граммов ортофосфата натрия надо прибавить к 250 л воды, чтобы устранить ее карбонатную жёсткость, равную 2,5 ммоль/л? К какой группе жёсткости относится такая вода?

Ответ: 34,162 г.

272. Что такое титрование? На каком законе основан метод титрования? Дайте формулировку этого закона. На титрование 40 мл воды израсходовано 5,7 мл 0,12н. раствора НС1. Чему равна карбонатная жёсткость воды? К какой группе жёсткости относится такая вода?

Ответ: 20 ммоль/л.

273. Чем обусловлена постоянная жёсткость воды? Какие существуют химические способы устранения постоянной жёсткости воды? Напишите уравнения соответствующих реакций. В 500 л воды содержится 70 г сульфата кальция. Чему равна постоянная жёсткость этой воды? К какой группе жёсткости относится такая вода?

Ответ: 2,1 ммоль/л.

274. Из чего складывается общая жёсткость воды? Ответ поясните. Какими методами можно устранить избыточную общую жёсткость воды? Напишите соответствующие уравнения реакций. Чему равна общая жёсткость воды, если в 300 л ее содержится 32,85 г гидрокарбоната кальция и 30,6 г сульфата магния? К какой группе жёсткости относится такая вода?

Ответ: 3,1 ммоль/л.

275. Чем обусловлена временная жёсткость воды? Какими методами можно устранить избыточную временную жёсткость воды? Напишите необходимые уравнения химических реакций. Вода, содержащая только гидрокарбонат кальция, имеет жёсткость 4,2 ммоль/л. К какой группе жёсткости относится такая вода? Сколько граммов гидрокарбоната кальция содержится в 250 л воды?

Ответ: 85,102 г.

276. Почему необходимо устранять избыточную жёсткость воды? Чем опасна такая вода? Приведите примеры. К 280 л жесткой воды прибавили 62,5 г карбоната натрия. Напишите уравнения возможных при этом реакций. Рассчитайте на сколько ммоль/л понизилась жесткость воды?

Ответ: 4 ммоль/л.

277. Чем обусловлена временная жёсткость воды? Какими методами можно устранить избыточную временную жёсткость воды? Напишите необходимые уравнения химических реакций. Вода, содержащая только гидрокарбонат магния, имеет жёсткость 7,8 ммоль/л. К какой группе жёсткости относится такая вода? Какая масса гидрокарбоната магния содержится в 350 л воды?

Ответ: 221,266 г.

278. Что понимается под жёсткостью воды? В чём измеряется жёсткость воды? Какую массу гидроксида кальция надо прибавить к 150 л воды, чтобы устранить временную жёсткость воды, равную 2,5 ммоль/л? К какой группе жёсткости относится такая вода?

Ответ: 13,89 г.

279. Что такое титрование? На каком законе основан метод титрования? Дайте формулировку этого закона. На титрование 40 мл воды потребовалось 3,85 мл 0,15 к раствора НС1. Чему равна карбонатная жёсткость воды? К какой группе жёсткости относится такая вода?

Ответ: 14,4 ммоль/л.

280. Чем обусловлена постоянная жёсткость воды? Какие существуют химические способы устранения постоянной жёсткости воды? Напишите уравнения соответствующих реакций. Чему равна жёсткость воды, в 10 л которой содержится 0,025 моль сульфата магния? К какой группе жёсткости относится такая вода?

13. ЖЕСТКОСТЬ

Жесткость воды представляет собой свойство природной воды, зависящее от наличия в ней главным образом растворенных солей кальция и магния. Суммарное содержание этих солей в воде в ммоль/дм 3 называют общей жесткостью.

Главными источниками поступления кальция и магния в поверхностные воды являются процессы химического выветривания и растворения минералов, прежде всего известняков и доломитов. Значительные количества ионов кальция и магния могут поступать в водоемы со сточными водами предприятий силикатной, металлургической, текстильной, стекольной, химической и других отраслей промышленности.

Ионная форма кальция и магния характерна для маломинерализованных вод. Значительная часть их находится в виде нейтральных или заряженных форм () ионных пар, а также связанных в комплексы с органическими веществами вод.

Общая жесткость колеблется от единиц до десятков, иногда сотен ммоль/дм 3 . Обычно преобладает (до 70 %) жесткость, обусловленная ионами кальция.

Жесткость морской воды и воды океанов обычно выше, причем часто магниевая жесткость превосходит кальциевую.

Общая жесткость поверхностных вод подвержена заметным сезонным колебаниям, достигая обычно наибольшего значения в конце зимы и наименьшего в период паводка. Жесткость подземных вод более постоянна.

Высокая жесткость, особенно обусловленная солями магния, ухудшает органолептические свойства воды, придавая ей горьковатый вкус, и оказывает действие на органы пищеварения. В зависимости от рН и щелочности воды жесткость выше 10 ммоль/дм 3 может вызывать образование шлаков в распределительной системе водоснабжения и накипи при нагревании.

13.1. Определение общей жесткости воды

комплексонометрическим методом

Принцип метода . Метод основан на образовании комплексных соединений трилона Б с ионами щелочноземельных элементов. Определение проводят титрованием пробы раствором трилона Б при рН 10 в присутствии индикатора эриохром черного Т.

При рН 10 трилон Б способен образовывать с ионами магния и кальция малодиссоциированные комплексы:

Na 2 H 2 Y + Ca 2+ ↔ Na 2 CaY + 2H + ;

Na 2 H 2 Y + Mg 2+ ↔ Na 2 MgY + 2H + .

Индикатор эриохром черный Т (хромоген черный специальный ЕТ−100) при добавлении в пробу воды образует с ионами магния красно-фиолетовое комплексное соединение. При титровании трилон Б соединяется с ионами кальция, а затем с ионами магния и вытесняет индикатор, который в свободной форме имеет голубую окраску. В точке эквивалентности индикатор дает резкий переход окраски:

HInd 2- + Mg 2+ ↔ MgInd - + H +

красно-фиолетовый

MgInd - + Na 2 H 2 Y ↔ Na 2 MgY + HInd 2- + H + .

красно-фиолетовый

Такого четкого изменения окраски индикатора ионы Са 2+ не дают, а поэтому отдельно ионы Са 2+ в присутствии индикатора эриохром черного Т определить нельзя.

Для получения воспроизводимых результатов необходимо, чтобы титруемый раствор имел рН = 10 ± 0,2 и достаточное количество ионов магния.

Если исследуемая проба была подкислена для консервации или проба имеет кислую среду, то в аликвоту пробы добавляют раствор гидроксида натрия молярной концентрации 0,2 моль/дм 3 до рН 6 – 7. Если проба воды имеет сильнощелочную среду, то в аликвоту пробы добавляют раствор соляной кислоты молярной концентрации 0,1 моль/дм 3 до рН 6 – 7. Контроль рН проводят по универсальной индикаторной бумаге или с использованием рН-метра.

Устранение мешающих влияний. Присутствие в воде более 10 мг/дм 3 ионов железа, более 0,05 мг/дм 3 каждого из ионов меди, кадмия, кобальта, свинца, более 0,1 мг/дм 3 каждого из ионов марганца (II), алюминия, цинка, никеля, олова, а также цветность более 200º и повышенная мутность вызывают при титровании нечеткое изменение окраски в точке эквивалентности, и приводит к завышению результатов определения жесткости. Ортофосфат- и карбонат-ионы могут осаждать кальций в условиях титрования при рН 10. Мешающее влияние ионов Zn 2+ до 200 мг/дм 3 ; Al 3+ , Cd 2+ , Pb 2+ до 20 мг/дм 3 ; Fe 3+ до 5 мг/дм 3 ; Mn 2+ , Co 2+ , Cu 2+ , Ni 2+ до 1 мг/дм 3 устраняют прибавлением к титруемой пробе раствора сульфида натрия с массовой долей 0,05 (5 %). Для уменьшения влияния марганца до 1 мг/дм 3 , железа, алюминия до 20 мг/дм 3 , меди до 0,3 мг/дм 3 добавляют от 5 до 10 капель раствора гидроксиламина гидрохлорида. Мутность пробы устраняют фильтрованием через мембранные фильтры с порами диаметром 0,45 мкм или бумажные обеззоленные фильтры «синяя лента».

Если мешающее влияние устранить невозможно, то определение жесткости проводят методами атомной спектроскопии.

Выбор объема пробы для анализа . Перед выполнением анализа пробы воды с неизвестной величиной жесткости проводят оценочное титрование. Для этого берут 10 см 3 воды, добавляют 0,5 см 3 буферного раствора, индикатор и титруют раствором трилона Б с с (1/2 Na 2 H 2 Y) = 0,05 моль/дм 3 до перехода окраски в голубую. По величине израсходованного на титрование объема раствора трилона Б выбирают из табл. 13.1 соответствующий объем пробы воды.

Ход определения. В коническую колбу вместимостью 250 см 3 отмеряют пипеткой требуемый объем пробы, доводят, если необходимо, до 100 см 3 дистиллированной водой, добавляют 5 см 3 буферного раствора, от 0,05 до 0,1 г сухой смеси индикатора. Пробу тщательно перемешивают и титруют раствором трилона Б с с (1/2 Na 2 H 2 Y) = 0,05 моль/дм 3 до перехода красно-фиолетовой окраски в голубую. Повторяют титрование и, если расхождение между параллельными титрованиями не превышает 0,05 см 3 при объеме раствора трилона Б 5 см 3 или менее 0,1 см 3 при объеме более 5 см 3 , за результат принимают среднее значение объема раствора трилона Б. В противном случае повторяют титрование до получения допустимого расхождения результатов.

где с (1/2 Na 2 H 2 Y) – молярная концентрация эквивалента трилона Б, моль/дм 3 ;

V (Na 2 H 2 Y) – объем раствора трилона Б, пошедшего на титрование пробы, см 3 ;

V

13.2. Определение массовой концентрации ионов кальция и магния комплексонометрическим методом. Расчет жесткости воды в градусах жесткости (ºЖ)

Метод основан на способности ионов кальция образовывать устойчивые комплексы с трилоном Б в сильнощелочной среде (рН = 12 − 13). Подобный комплекс ионов магния в этой среде разрушается с выделением гидроксида магния. При титровании раствором трилона Б изменение окраски индикатора (мурексида) от лиловой до красно-малиновой свидетельствует о полном связывании ионов кальция:

H 2 Ind 3- + Са 2+ ↔ СаH 2 Ind - ;

красно-малиновый

СаH 2 Ind - + Na 2 H 2 Y ↔ Na 2 СаY + H 2 Ind 3- + 2H + .

Титрование ионов кальция возможно при совместном присутствии ионов тяжелых металлов в концентрациях, не превышающих значений: для меди – 0,2 мг/дм 3 ; цинка, свинца, никеля, марганца, железа, алюминия – 1 мг/дм 3 и магния – 3 мг в определяемом объеме. При более высоких концентрациях ионов тяжелых металлов в пробу добавляют сульфид натрия. Мешающее влияние ионов магния устраняют или уменьшением объема пробы, взятого для анализа, или при высоком содержании магния (соотношение Mg:Ca более 1), осаждением ионов магния раствором едкого натра, имеющим концентрацию 2 моль/дм 3 (рН 12 − 13) в мерной колбе вместимостью 100 см 3 . Для этого 20−40 см 3 пробы разбавляют дистиллированной водой до 90 см 3 и медленно по каплям добавляют раствор NaOH, хорошо перемешивают, при этом незначительное количество ионов кальция соосаждается с Mg(OH) 2 . Объем раствора доводят до метки дистиллированной водой и после отстаивания осадка в течение 1,5 – 2 часов отбирают прозрачную аликвоту для титрования. Для уменьшения потерь кальция время отстаивания не должно превышать 2 часа.

Ход определения. В коническую колбу вместимостью 250 см 3 отмеряют требуемый объем пробы, доводят, если необходимо, до 100 см 3 дистиллированной водой, добавляют 2 см 3 раствора NaOH с массовой долей 0,08 (8 %), 0,1 – 0,2 г индикатора мурекида и медленно титруют раствором трилона Б при интенсивном перемешивании до перехода окраски от красно-малинового цвета к лиловому. Повторяют титрование и, если расхождение между параллельными титрованиями не превышает приведенных в табл. 13.2, за результат принимают среднее значение трилона Б. В противном случае повторяют титрование до получения допустимого расхождения результатов.

Расчет. Массовую концентрацию и количество вещества эквивалента ионов кальция в анализируемой пробе воды находят по формулам:

где m (Ca 2+) – массовая концентрация ионов кальция в воде, мг/дм 3 ;

n (1/2Ca 2+) – количество вещества эквивалента ионов кальция в воде, ммоль/дм 3 ;

c (1/2Na 2 H 2 Y) – молярная концентрация эквивалента трилона Б, моль/дм 3 ;

V (Na 2 H 2 Y) – объем раствора трилона Б, пошедшего на титрование пробы, см 3 ;

M (1/2Ca 2+) − молярная масса эквивалента ионов кальция, мг/ммоль;

V – объем пробы воды, взятый для определения, см 3 .

Массовую концентрацию ионов магния в мг/дм 3 в анализируемой пробе воды определяют по формуле

где m (Mg 2+) − массовая концентрация ионов магния в воде, мг/дм 3 ;

X – общая жесткость воды, ммоль/дм 3 ;

n (1/2Ca 2+) − количество вещества эквивалента ионов кальция в воде, ммоль/дм 3 ;

M (1/2Mg 2+) – молярная масса эквивалента Mg 2+ , мг/ммоль.

Таблица 13.2

Допустимые расхождения между параллельными титрованиями в зависимости от объема раствора трилона Б

В соответствии с ГОСТ Р 52029-2003 жесткость воды выражается в градусах жесткости (ºЖ).

Градус жесткости соответствует концентрации щелочноземельного элемента, численно равной 1/2его моля, выраженной в мг/дм 3 (г/м 3).

Жесткость воды Ж, ºЖ, при раздельном количественном определении ионов щелочноземельных элементов вычисляют по формуле

где m (Ca 2+) – масса кальция в пробе воды, мг/дм 3 ;

m (Mg 2+) – масса магния в пробе воды, мг/дм 3 ;

M (Ca 2+) − молярная масса кальция, мг/моль;

M (Mg 2+) − молярная масса магния, мг/моль.